基于FPGA的無線同播頻率校準裝置的設計

摘要：在討論了無線同播特點和頻率校準基本原理的基礎上，提出了一種基FPGA的無線同播頻率校準裝置的設計方案，實現(xiàn)了高精度廣播頻率的輸出，給出了詳細設計過程和實際測試結(jié)果。
關鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；無線同播；頻率校準

0 引言
近年來，無線同播系統(tǒng)在民事和警事中的應用日益廣泛，其快速搭建和空中接入等優(yōu)勢在512地震的救災調(diào)度中得以充分體現(xiàn)。同播系統(tǒng)工作時，所有發(fā)射站會在同一時刻點以相同頻率向外廣播，由于各站的發(fā)射頻率相對于標準頻率有不同偏差，在功率重疊區(qū)產(chǎn)生頻率疊加，出現(xiàn)同頻干擾。目前，國內(nèi)外通信廠家的同播發(fā)射機的發(fā)射頻率偏差大都在1ppm(parts per million)以上，不通過校準，無法達到0．05ppm正常通話的最低要求。有線同播系統(tǒng)是利用光纖網(wǎng)絡校準發(fā)射頻率的。無線同播系統(tǒng)目前只能通過兩種方法解決：一是設置中心站，但系統(tǒng)響應速度慢；二是盡量縮小功率重疊區(qū)，其建站周期長而且可靠性低。兩種方法都沒有從根本上解決無線同播系統(tǒng)的同頻干擾，發(fā)射頻率的校準已經(jīng)成為無線同播系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。因此，本文提出一種基于FPGA技術的頻率校準系統(tǒng)的設計方案。

1 系統(tǒng)總體設計
1．1 同頻干擾的產(chǎn)生和解決方法
一個無線同播系統(tǒng)需要架設若干個大功率發(fā)射站點，才能滿足大區(qū)域的通信需求。站點間硬件和工作環(huán)境各有差異，導致各站的頻率偏差不同。例如兩個發(fā)射頻率為350MHz的站點，一個的頻偏為+1ppm，另一個為-1ppm，在功率重疊區(qū)就會產(chǎn)生700Hz的頻率差，形成嘯聲，影響通話質(zhì)量。從理論上講，要保證同頻覆蓋區(qū)的通話質(zhì)量，必須使各發(fā)射站的頻偏保持在0．05ppm以下。校準各發(fā)射站頻率的最好方法，是為其提供統(tǒng)一可靠的基準時鐘信號。GPS定位衛(wèi)星信號精度高，沒有時間和地域的限制，可以作為基準時鐘信號同步各站的基準振蕩器，解決同頻干擾的關鍵性問題。
1．2 系統(tǒng)硬件設計
頻率校準系統(tǒng)主要由高精度GPS信號接收器、FPGA芯片、VC-TC2XO(壓控恒溫晶振)、高精度DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)等部分組成。VC-TCXO為FPGA提供工作時鐘，也為發(fā)射提供基準頻率。FPGA通過GPS秒脈沖信號計算標準時長，記錄下這段時間內(nèi)VC-TCXO產(chǎn)生的脈沖總數(shù)，與標準的脈沖數(shù)進行對比，最后通過DAC對VC-TCXO進行電壓校正。校準后的VC-TCXO頻率通過FPGA內(nèi)部PLL倍頻，成為發(fā)射頻率?；居布Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

FPGA編程比較靈活，可設置任意位的片上寄存器，保證了脈沖計數(shù)的精度，適用于高精度的頻率校準。本設計采用Actel公司Fusion系列的AFS600，屬于Flash架構(gòu)，內(nèi)部集成了60萬邏輯門。以Flash為基礎的FPGA將配置信息儲存在片上Flash單元中，一旦完成編程，配置數(shù)據(jù)就會成為FPGA結(jié)構(gòu)的固有部分，在系統(tǒng)上電時無需通過外部SRAM載入配置數(shù)據(jù)。AFS600可靠性高、功耗低，節(jié)省外部元件，適合開發(fā)手持設備。
本設計采用的GPS接收機是Motorola公司生產(chǎn)的M12M授時型OEM模塊，輸出秒脈沖信號的精度±20ns。壓控恒溫晶振采用華晶達電子公司的VC-TCXO(503212．8M)，中心頻率12．8MHz，工作電壓3．3V，溫度穩(wěn)定度±1．0ppm，老化率±1．0ppm／年，控制電壓范圍1．65±1．0v，可調(diào)節(jié)頻率范圍1 2．8MHz±300Hz。高精度DAC采用TI公司的。DAC8552，具有16位精度，可串行SPI控制方式，參考電壓為3．3V。